Research

Чому літр води важить кілограм? Десять найважливіших моментів в історії вимірювань

У жодній області наук немає такої великоїпрірви між визнанням і важливістю, як в метрології. І справа не в погоді. Метрологія - це наука про вимірювання. У неї довша історія, ніж у сучасних наук, які викладаються в школі, і це важливо для всієї корисності і сили науки. Без звукової метрології не було б польотів на Місяць, сучасної медицини, самоврядних автомобілів, аналітики бейсболу і прогнозів погоди (хороших, у всякому разі).

І навіть без науки метрологія протягомтисячоліть доводила свою користь на службі торгівлі і комерції, гарантуючи, що ваги і обсяги виробництва та інші продукти можна стандартизувати так, щоб зробити шахрайство і обман важче для шахраїв і брехунів.

Що таке метрологія і навіщо вона потрібна?

20 травня був відзначений останній рубіж в довгійісторії метрології, коли офіційно прийняли нові визначення деяких найбільш важливих одиниць виміру науки, включаючи кілограм, стандартну міру маси. Ці зміни відображають перегляд так званої Le Système International d'Unites (вона ж СІ), сучасної версії метричної системи. Відповідно до вказівок Міжнародного бюро мір і ваг, СІ включає сім «фундаментальних» одиниць виміру, з яких беруться інші одиниці виміру. Крім кілограма, нові певні базові одиниці виміру включають коливань (температура), ампер (електричний струм) і моль (кількість речовини). Незмінними залишилися секунда (час), метр (довжина) і кандела (сила світла).

Остання модернізація СІ являє собоюпрогрес в науці, але це лише останній з кількох історичних орієнтирів в галузі метрології. Давайте рассморім десятку найважливіших поворотних моментів в метрологи.

Винахід анатомічних одиниць (давним-давно)

Анатомічні одиниці виміру з'явилися ще назорі людської цивілізації, можливо, в момент появи сільського господарства. Одиниці виміру обсягу, такі як «ковток» і «жменя», передували появі «чайних ложок», «чашок» і «пінт». У випадку з довжиною, людський «фут» або «крок» з'явилися разом з людиною. У різний час, від древніх єгиптян до більш пізнього сучасного суспільства 1700-х «фут» дорівнював 10-14 дюймів.

Серед інших анатомічних одиниць вимірюванняшироко використовувався «лікоть». Перші його згадки прийшли з Близького Сходу, також в «Епосі про Гільгамеша», який народився в 2000 році до н.е. Лікоть як міра довжини був дуже зручний в будівництві ковчегів.

І може бути так, що «подвійний лікоть»перетворився в ярд. Король Англії Генріх I, який правив в 1100-1135 роках, спробував стандартизувати ярд, визначивши його як довжину від кінчика носа до кінця великого пальця (з витягнутою рукою). В кінцевому підсумку ярд став трьома футами, фут - 12 дюймами, дюйм визначили як довжину трьох зерен ячменю, витягнутих по довжині. Анатомічна одиниця виміру народилася з ботанічної.

Велика хартія вольностей (Magna Carta) 1215

Один з найбільш важливих документів в історіївстановив необхідність метрології для майбутнього цивілізації та наполіг на тому, що «в усьому королівстві повинні бути стандартні заходи вина, елю і кукурудзи», і те ж саме для ваг. Протягом наступних кількох століть працювало це через пень-колоду, але принцип був досить ясний і метрологи, які прийшли пізніше, виконали відмінну роботу і досягли мети, поставленої в Magna Carta.

Королева Єлизавета I реформує систему ваг, 1588 рік

Поки її флот був зайнятий знищенням іспанськоїармади, англійська королева Єлизавета I була зайнята встановленням більш раціональних правил для ваг і мір. До цього англійські торговці мали справу з купою різних видів фунтів, з яких зберігся фунт «евердьюпойс». Інший - «баштовий» фунт - був скасований Генріхом VIII в 1527 році на користь тройську фунта для використання в валюті (тому фунти все ще залишаються англійської валютою, навіть коли зроблені з паперу).

Єлизавета I встановила стандартний фунтевердьюпойс для більшості застосувань, зберігши трійський фунт для монет (і ліків). При цьому вона задала людям розумне питання: що важить більше, фунт золота або фунт свинцю? Кмітливі часто відповідають: ха-ха, ні те, ні інше. Фунт є фунт. Але ті, хто досить розбирається в метрології, скажуть «свинець», тому що фунт евердьюпойс важить більше тройську фунта. Однак якщо ви скажете, що унція свинцю важить більше унції золота, ви так само помилитеся. Тройська унція золота важче. Фунт евердьюпойс важче, тому що містить 16 унцій, а в тройських фунті всього 12 тройських унцій.

Маятниковий годинник Крістіана Гюйгенса, 1656 рік

Багато (серед них і Галілей) намагалися звертатисяз маятника як годин, але голландський фізик і математик Крістіан Гюйгенс побудував перші надійні маятниковий годинник. Його найраніша версія, побудована в 1656 році, працювала з точністю до 15 секунд в день, що є найбільшим поліпшенням для тих часів. Подальший розвиток маятникових годин зробила їх найбільш точними годинами до 20 століття.

Метрична система, 1799 рік

У 17 столітті деякі прозорливі вчені визнали,що десяткова система одиниць вимірювання буде значно краще для науки і торгівлі, ніж тодішня мішанина одиниць, які варіювалися від країни до країни. Або навіть всередині однієї і тієї ж країни - деякі припускають, що однією з причин Французької революції було невдоволення людей недостатньому одноманітністю мір і ваг.

У 1670-х роках французький священнослужительГабріель Мутон і астроном Жан Пікард обговорили створення базової одиниці довжини з довжиною маятника з періодом 2 секунди. (Це відносно близько до сучасного метру, але, на жаль, період кочення маятника різниться в різних місцях поверхні Землі). Але в 1790-х роках, коли французи всерйоз задумалися над створенням метричної системи, вони позначили метр як 1/10 000 000 відстані від екватора до Північного Полюса. Інші одиниці вимірювання вже пішли від метра - грам (одиниця маси) прирівняли до маси кубічного сантиметра води, наприклад.

У метричної системи були свої недоліки, алевона зробила вимір набагато більш раціональним і стандартним, ніж було до цього. Сьогодні тільки відсталі країни (такі як Ліберія, М'янма і ще одна) не використовують СІ (Систему Інтернешнл).

Створення Міжнародного бюро мір і ваг, 1875 рік

Convention du Mètre в 1875 році встановила бюромір і ваг як арбітра по вирішенню питань, що стосуються одиниць вимірювання; угоду підписали 17 країн. У договорі вказувалося, що бюро візьме на себе виробництво стандартних прототипів метра і кілограма. Це був важливий крок в напрямку широкого використання метричної системи по всьому світу.

Температурна шкала Кельвіна

До 19 століття температура була слизькою поняттям -термометри використовували довільні одиниці виміру, які дозволяли вимірювати, яка річ гаряче інший, але не давали визначити, наскільки вона гаряче. У 1848 році Вільям Томсон, ставши лордом Кельвіном, запропонував застосувати принципи нової науки про термодинаміки для розробки раціональної «абсолютної» температурної шкали, яка встановила б нульову точку, відповідну повної відсутності тепла. Знадобилося кілька днів, перш ніж термодинаміка дозріла і стало зрозуміло, яку шкалу потрібно зробити, але у термометрії з'явився міцний фундамент. Одиниці виміру температури отримали назву на честь Кельвіна і стали називатися Кельвіна, а не «градусами Кельвіна», як раніше.

інтерферометр Майкельсона

Альберт Майкельсон був одержимий виміромшвидкості світла, і в кінці 1870-х років виміряв її точніше, ніж будь-хто інший. Незабаром після цього він зрозумів, що може виявити невеликі відмінності в швидкості світла, викликані рухом Землі через ефір. Для цього він винайшов интерферометр. Він поділяв промінь світла на два шляхи, перпендикулярних один одному, і потім з'єднував ці два промені за допомогою дзеркал. Різниця швидкості між двома шляхами світла означала, що хвилі світла можуть викривлятися, створюючи інтерференційну картину. Майкельсон і його колега Едвард Морлі провели експеримент в 1887 році і не змогли виявити очікувану інтерференцію. Але це було пов'язано з тим, що ефіру не існує. Інтерферометрія була прекрасною ідеєю і стала цінним інструментом для самих різних метрологічних завдань.

лазери

Відкриття лазерів в 1960-х роках зробилоинтерферометрию ще більш точною, завдяки лазерному контролю довжини хвилі світла. Таким чином, лазери не тільки забезпечили реалізацію науково-фантастичних променемет, але і швидко стали найкращим інструментом вимірювання в історії. Лазери дозволили створити оптичні годинник, які в тисячі разів точніше маятникових годин Гюйгенса. Лазерна метрологія допомогла підтвердити, що двигуни літаків і автомобілів будуть проводитися в точності по специфікаціям дизайну.

Крім того, лазерна интерферометрия використовується для виявлення гравітаційних хвиль.

Перегляд основних одиниць виміру, 2019 рік

У 1983 році царі метрології переглянули метр зточки зору того, як далеко може подорожувати світло в секунду. З цього почалося перевизначення інших одиниць виміру, засноване на фундаментальної фізики. Кельвін, наприклад, тепер визначається постійною, заснованої на кілограмі, метрі і секунді. Кілограм тепер визначається значенням квантової фізики - постійної Планка - і визначеннями метра і секунди. Секунди все ще заснована на випромінюванні, випущених в особливому процесі певного атома цезію. Метрологія тепер не просто стандартизована по всій планеті - але і по всіх планет у всіх галактиках, незалежно від відстані.

Але способу точно виміряти правильність ранжирування метрологічних орієнтирів поки не придумали, так що можете цим зайнятися. І не забудьте зазирнути в наш чат в Телеграма.